DE102014223533A1 - Method and device for operating an exhaust-driven charging device with electromotive assistance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung (6), die eine elektromotorische Unterstützung (64) aufweist, mit folgenden Schritten: – Vorgeben (S1) eines Soll-Ladedrucks in einem Ladedruckabschnitt (46) ausgangsseitig eines Verdichters (63) der Aufladeeinrichtung (6) abhängig von einer momentanen Lastanforderung; – Ermitteln (S2) eines Verdichtermassenstroms durch einen Verdichter (63) der Aufladeeinrichtung (6) abhängig von dem vorgegebenen Soll-Ladedruck; – Einstellen (S4) des Verdichtermassenstroms durch den Verdichter (63) durch Nutzung von Abgasenthalpie von Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors (2) und der elektromotorischen Unterstützung (64); – Ansteuern (S3) eines Umluftventils (71) zum Zulassen eines Umluftmassenstroms in einer eine Ausgangsseite und eine Eingangsseite des Verdichters (63) verbindenden Umluftleitung (7).The invention relates to a method for operating an internal combustion engine (2) with an exhaust gas driven charging device (6) having electromotive assistance (64), comprising the following steps: - predetermining (S1) a desired charge pressure in a boost pressure section (46) on the output side Compressor (63) of the charging device (6) depending on a current load request; - Determining (S2) of a compressor mass flow through a compressor (63) of the charging device (6) depending on the predetermined desired boost pressure; - adjusting (S4) the compressor mass flow rate through the compressor (63) by utilizing exhaust enthalpy of combustion exhaust gas of the internal combustion engine (2) and the electromotive assistance (64); - Controlling (S3) of a recirculation valve (71) for allowing a circulating air mass flow in a return air line (7) connecting an output side and an input side of the compressor (63).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen mit elektromotorischer Unterstützung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Erhöhen der Dynamik eines Verbrennungsmotors mit Hilfe einer elektromotorisch unterstützten abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung.The invention relates to exhaust-driven charging devices with electromotive assistance. In particular, the present invention relates to measures for increasing the dynamics of an internal combustion engine by means of an electric motor assisted exhaust gas driven charging device.
Stand der TechnikState of the art
Abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen, so genannte Abgasturbolader, werden zum Bereitstellen eines erhöhten Ladedrucks in einem Luftzuführungssystem für einen Verbrennungsmotor verwendet. Diese wandeln eine durch die Verbrennungsabgase bereitgestellte Abgasenthalpie in mechanische Energie um. Die mechanische Energie wird als Rotationsenergie bereitgestellt und zum Antreiben eines Verdichters verwendet. Der Verdichter saugt Umgebungsluft an und stellt diese in einem Ladedruckabschnitt des Luftzuführungssystems unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Ladedruck bereit. Exhaust-driven superchargers, so-called exhaust gas turbochargers, are used to provide increased boost pressure in an air supply system for an internal combustion engine. These convert an exhaust gas enthalpy provided by the combustion exhaust gases into mechanical energy. The mechanical energy is provided as rotational energy and used to drive a compressor. The compressor draws in ambient air and provides it in a boost section of the air supply system at a boost pressure greater than ambient pressure.
Wenn insbesondere bei geringen Drehzahlen bzw. Lasten des Verbrennungsmotors die Abgasenthalpie gering ist und daher nicht ausreicht, um einen nach einer Erhöhung der Lastanforderung benötigten Ladedruck bereitzustellen, sind Konzepte bekannt, die abgasgetriebene Aufladeeinrichtung mit einem Elektromotor zu koppeln. Der Elektromotor dient dann als Unterstützung für die Beschleunigung (Hochlauf) der Aufladeeinrichtung durch Bereitstellen eines zusätzlichen Drehmomentes.If the exhaust enthalpy is low, in particular at low speeds or loads of the internal combustion engine, and is therefore insufficient to provide a boost pressure required after an increase in the load requirement, concepts are known for coupling the exhaust-driven charging device to an electric motor. The electric motor then serves as a support for the acceleration (start-up) of the charging device by providing an additional torque.
Eine Form einer solchen Aufladeeinrichtung stellt eine Kopplung der Aufladeeinrichtung mit einem Medienspaltmotor dar, bei dem die Übertragung der Magnetfelder zwischen einem Stator und einem Rotor über die eingangsseitige Luftstrecke der durch den Verdichter angesaugten Umgebungsluft erfolgt.One form of such a charging device is a coupling of the charging device with a media gap motor, in which the transmission of the magnetic fields between a stator and a rotor via the input side air gap of the sucked through the compressor ambient air.
Durch die Verwendung der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung kann eine höhere Spontaneität erreicht werden, so dass bei sprunghaftem Erhöhen der Lastanforderung ein schnelleres Bereitstellen des geforderten Ladedrucks ermöglicht wird. By using the exhaust-driven charging device with electromotive support a higher spontaneity can be achieved, so that when sudden increase in the load request faster provision of the required boost pressure is possible.
Bei einer rein abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung erreicht der Verbrennungsmotor bei einer entsprechenden Lastanforderung ausgehend von einem unteren Drehzahlbereich ein Volllastdrehmoment üblicherweise erst zwischen 3 bis 5 Sekunden. Bei Aufladeeinrichtungen mit elektrischer Unterstützung kann diese Zeitspanne auf ca. 1,5 bis 2 Sekunden verkürzt werden, wobei jedoch das angeforderte Lastdrehmoment bereits nach spätestens einer Sekunde von einem Fahrer als angemessenes Dynamikverhalten erwartet wird.In the case of a purely exhaust gas-driven charging device, the internal combustion engine usually reaches a full-load torque for a corresponding load request, starting from a lower rpm range, only between 3 to 5 seconds. In electric assisted charging devices, this time can be shortened to about 1.5 to 2 seconds, however, the required load torque is expected by the driver to be the appropriate dynamic response after one second at the latest.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas-driven charging device with electromotive assistance according to claim 1 as well as a device and an engine system according to the independent claims are provided.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Vorgeben eines Soll-Ladedrucks in einem Ladedruckabschnitt ausgangsseitig eines Verdichters der Aufladeeinrichtung abhängig von einer momentanen Lastanforderung;
- – Ermitteln eines Verdichtermassenstroms durch einen Verdichter der Aufladeeinrichtung abhängig von dem vorgegebenen Soll-Ladedruck;
- – Einstellen des Verdichtermassenstroms durch den Verdichter durch Nutzung von Abgasenthalpie von Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors und der elektromotorischen Unterstützung;
- – Ansteuern eines Umluftventils zum Zulassen eines Umluftmassenstroms in einer eine Ausgangsseite und eine Eingangsseite des Verdichters fluidisch verbindende Umluftleitung.
- - Specifying a target boost pressure in a boost pressure section on the output side of a compressor of the charging device depending on a current load request;
- - Determining a compressor mass flow through a compressor of the charging device depending on the predetermined target boost pressure;
- - Setting the compressor mass flow through the compressor by using exhaust enthalpy of combustion exhaust gas of the engine and the electromotive assistance;
- - Controlling a recirculation valve for allowing a circulating air mass flow in an output side and an input side of the compressor fluidly connecting recirculation line.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, eine Vorlaufstrategie für eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung zur Verfügung zu stellen, die ein Umluftventil nutzt, das eine stromabwärtige Seite des Verdichters der Aufladeeinrichtung mit einer stromaufwärtigen Seite verbindet. Um einen schnellen Aufbau des Ladedrucks zu ermöglichen, ist vorgesehen, das Umluftventil so anzusteuern, dass ein Mindestluftmassendurchsatz durch den Verdichter in der Umluftleitung erreicht wird. Auf diese Weise wird durch den Verdichter geförderte Frischluft teilweise durch das Umluftventil zur Eingangsseite des Verdichters, d.h. auf die stromaufwärtige Seite der Aufladeeinrichtung zurückgeführt. An idea of the above method is to provide a pre-flow strategy for an electromotive assist exhaust driven supercharger that uses a recirculation valve that connects a downstream side of the supercharger of the supercharger to an upstream side. To enable a quick build-up of the boost pressure, it is provided to control the recirculation valve so that a minimum mass flow of air through the compressor in the recirculation air line is achieved. In this way, fresh air delivered by the compressor is partially recirculated through the recirculation valve to the input side of the compressor, i. attributed to the upstream side of the charging device.
Die Einstellung des Umluftventils wird abhängig von einem geforderten Soll-Vorlaufladedruck vorgenommen. Daraus ergibt sich im Verdichterkennfeld ein Betriebspunkt mit einem Luftmassenstrom durch den Verdichter, der gerade so hoch gewählt ist, dass gewährleistet ist, dass kein Verdichterpumpen auftritt. So ergibt sich ein Luftmassenstrom durch das Umluftventil als die Differenz des Verdichtermassenstroms und des Luftmassenstroms, der von dem Verbrennungsmotor beim aktuellen Betriebspunkt benötigt wird. Der Öffnungsquerschnitt des Umluftventils kann dann über herkömmliche Ventilmodelle, beispielsweise unter Berücksichtigung eines Differenzdrucks, einer Ladelufttemperatur und dergleichen, bestimmt werden. The setting of the air recirculation valve is made dependent on a required setpoint feed forward pressure. This results in the compressor map an operating point with an air mass flow through the compressor, which is just selected so high that it is guaranteed that no compressor pumps occurs. Thus, an air mass flow through the recirculation valve results as the difference of the compressor mass flow and the air mass flow, which is required by the internal combustion engine at the current operating point. The opening cross section of the recirculation valve can then be determined via conventional valve models, for example taking into account a differential pressure, a charge air temperature and the like.
Die erforderliche Drehzahl des Verdichters wird abhängig von dem Verdichtermassenstrom aus einem vorgegebenen Verdichterkennfeld ermittelt und mit Hilfe der elektromotorischen Unterstützung elektrisch geregelt. The required speed of the compressor is determined depending on the compressor mass flow from a given compressor map and electrically controlled by means of the electromotive assistance.
Bei einer spontanen Drehmomentenanforderung kann das Umluftventil vollständig geschlossen werden und die elektrische Ansteuerung erhöht werden, bis der neue Ladedruck-Sollwert erreicht ist. Sobald die notwendige Abgasenthalpie zum Betreiben der Aufladeeinrichtung zum Bereitstellen des nötigen Ladedrucks zur Verfügung steht, kann die elektrische Unterstützung entsprechend reduziert werden. For a spontaneous torque request, the recirculation valve can be completely closed and the electrical control can be increased until the new boost pressure setpoint is reached. As soon as the necessary exhaust gas enthalpy for operating the charging device for providing the necessary charge pressure is available, the electrical assistance can be correspondingly reduced.
Durch Bereitstellen einer elektrischen Unterstützung der Aufladeeinrichtung und der Förderung eines erhöhten Luftmassenstroms bei einem Niedriglast- oder Teillastbetriebspunkt kann durch die Möglichkeit des Schließens des Umluftventils bei einer sprunghaften Lastanforderung ein schnellerer Aufbau des Ladedrucks durch Schließen des Umluftventils erreicht werden. Dadurch wird eine höhere Dynamik des Verbrennungsmotors ermöglicht, so dass einer sprunghaften Anforderung nach einem erhöhten Drehmoment schneller gefolgt werden kann, als dieses bei elektromotorisch unterstützen Aufladeeinrichtungen ohne Umluftventil möglich wäre.By providing electrical support to the charging device and promoting increased mass air flow at a low load or part load operating point, the ability to close the recirculation valve in the event of a sudden load request can result in faster buildup of boost by closing the recirculation valve. This allows a higher dynamics of the internal combustion engine, so that a sudden request for an increased torque can be followed faster than would be possible with electromotive assisted charging without recirculation valve.
Weiterhin kann der Soll-Ladedruck abhängig von einem bestimmten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelt werden, wobei sich der Soll-Ladedruck aus einem statischen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors oder als ein Soll-Vorlaufladedruck ergeben kann, der in Erwartung einer anstehenden Lasterhöhung eingestellt wird. Furthermore, the target boost pressure can be determined as a function of a specific operating point of the internal combustion engine, wherein the target boost pressure can result from a static operating point of the internal combustion engine or as a target forward boost pressure, which is set in anticipation of an upcoming increase in load.
Insbesondere kann der Verdichtermassenstrom durch den Verdichter der Aufladeeinrichtung abhängig von dem vorgegebenen Soll-Ladedruck als der Grenz-Verdichtermassenstrom, bei dem gerade kein Verdichterpumpen auftritt, oder als der Grenz-Verdichtermassenstrom abzüglich eines vorgegebenen Offsets ermittelt werden. In particular, the compressor mass flow through the compressor of the charging device can be determined as the limit compressor mass flow at which no compressor pumping is currently taking place, or as the limit compressor mass flow minus a predetermined offset, depending on the preset desired boost pressure.
Es kann vorgesehen sein, dass, wenn ein Verdichtermassenstrom ermittelt wird, der größer ist als der Luftmassenstrom, der von dem Verbrennungsmotor aufgenommen wird, das Umluftventil so angesteuert wird, dass der Umluftmassenstrom einer Differenz des Verdichtermassenstroms und eines Motorluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor entspricht. It may be provided that when a compressor mass flow is determined which is greater than the air mass flow, which is absorbed by the internal combustion engine, the recirculation valve is controlled so that the circulating air mass flow corresponds to a difference of the compressor mass flow and an engine air mass flow through the internal combustion engine.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Einstellen des Verdichtermassenstroms durch den Verdichter abhängig von einer von dem Verdichtermassenstrom abhängigen Drehzahl der Aufladeeinrichtung durchgeführt werden, wobei die Drehzahl der Aufladeeinrichtung mithilfe eines Ansteuerns der elektromotorischen Unterstützung eingestellt und/oder geregelt wird.According to one embodiment, adjusting the compressor mass flow through the compressor may be performed in response to a supercharger speed dependent on the compressor mass flow, wherein the speed of the supercharger is adjusted and / or regulated by driving the electromotive assistance.
Weiterhin kann, wenn eine sprunghafte Lasterhöhung angefordert wird, ein Wirkungsgrad der Turbine der Aufladeeinrichtung erhöht werden.Furthermore, when a sudden increase in load is requested, an efficiency of the turbine of the charging device can be increased.
Alternativ oder zusätzlich kann, wenn eine sprunghafte Lasterhöhung angefordert wird, das Umluftventil geschlossen wird bzw. ein Öffnungsquerschnitt des Umluftventils reduziert werden und insbesondere die elektromotorische Unterstützung aktiviert bzw. mit höherer Leistung angesteuert werden.Alternatively or additionally, when a sudden load increase is requested, the recirculation valve is closed or an opening cross-section of the recirculation valve can be reduced and in particular the electromotive assistance activated or driven with higher power.
Es kann vorgesehen sein, dass bei einer angeforderten Lastreduzierung das Umluftventil in der Umluftleitung weiter geöffnet wird.It can be provided that, in the case of a requested load reduction, the recirculation valve in the recirculation line is opened further.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um eines der obigen Verfahren auszuführen. According to a further aspect, an apparatus, in particular a control unit, for operating an internal combustion engine with an electromotive assisted exhaust-gas-charged charging device is provided, the device being designed to carry out one of the above methods.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor;
- – eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung mit elektromotorischer Unterstützung, die ausgebildet ist, um einen Verdichtermassenstrom durch einen Verdichter der Aufladeeinrichtung mithilfe einer bereitgestellten Abgasenthalpie von Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors und mithilfe eines Elektromotors einzustellen;
- – eine Umluftleitung mit einem variabel ansteuerbaren Umluftventil, um Ladeluft von einer Ausgangsseite zu einer Eingangsseite des Verdichters zurückzuführen; und
- – die obige Vorrichtung.
- An internal combustion engine;
- An electromotive assisted exhaust gas supercharger configured to adjust a compressor mass flow through a supercharger of the supercharger using a provided exhaust enthalpy of combustion exhaust gas of the internal combustion engine and by means of an electric motor;
- - A recirculation line with a variably controllable recirculation valve to return charge air from an output side to an input side of the compressor; and
- - The above device.
Weiterhin kann die Umluftleitung ausgebildet sein, um Ladeluft von einem Bereich der Ausgangsseite des Verdichters zurückzuführen, der sich stromabwärts eines Ladeluftkühlers befindet. Furthermore, the recirculation line may be configured to recirculate charge air from an area of the exit side of the compressor located downstream of an intercooler.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
In
Dem Verbrennungsmotor
Die Aufladeeinrichtung weist dazu eine Turbine
Die Welle
In dem ausgangsseitigen Abschnitt
Die Welle
Die Aufladeeinrichtung kann weiterhin mit einem Wastegateventil
Es ist eine Steuereinheit
Die Steuereinheit
Es ist weiterhin eine Umluftleitung
Das Umluftventil
Im Ladeluftabschnitt
Die Umluftleitung
Durch die Anordnung der Umluftleitung
Die Ansteuerung des Umluftventils
Im Schritt S1 wird bei einem bestimmten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ein Soll-Ladedruck ermittelt. Der Soll-Ladedruck kann sich aus einem definierten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors
Abhängig von dem gewünschten Soll-Ladedruck wird im Schritt S2 mit Hilfe eines vorgegebenen Verdichterkennfelds für den Verdichter
Insbesondere bei geringen Drehzahlen des Verbrennungsmotors
Die Differenz des Verdichtermassenstroms und des Motor-Luftmassenstroms der in den Verbrennungsmotor
Um in Schritt S4 den Verdichtermassenstrom zu stellen, wird die dafür benötigte Drehzahl der Aufladeeinrichtung
Im Schritt S5 wird überprüft, ob eine sprunghafte Erhöhung eines Solldrehmoments vorgegeben wird. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.In step S5 it is checked whether a sudden increase in a setpoint torque is specified. If this is the case (alternative: yes), then the method is continued with step S6, otherwise (alternative: no) is returned to step S1.
Wird eine sprunghafte Erhöhung des angeforderten Solldrehmoments vorgegeben, so kann in Schritt S6 die Drosselklappe
Weiterhin wird in Schritt S7 der Elektromotor
Gleichzeitig wird in Schritt S7 das Umluftventil
Zum Abbau eines hohen Ladedrucks nach einer sprunghaften Abnahme des geforderten Solldrehmoments kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, das Umluftventil
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014223533.2A DE102014223533A1 (en) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Method and device for operating an exhaust-driven charging device with electromotive assistance |
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DE102014223533.2A DE102014223533A1 (en) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Method and device for operating an exhaust-driven charging device with electromotive assistance |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016210931A1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-12-21 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a supercharged internal combustion engine |
CN114623005A (en) * | 2020-12-09 | 2022-06-14 | 罗伯特·博世有限公司 | Method for operating an external combustion engine supercharged by a supercharger |
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- 2014-11-18 DE DE102014223533.2A patent/DE102014223533A1/en active Pending
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